Integrated approach to the Design and Control of Offshore HVDC Networks

Den storskala innfasingen av fornybare energiressurser i det eksisterende kraftnettet er et av de viktigste målene for å nå den sårt trengte lavkarbon-økonomien. På grunn av den periodiske produksjonen til mange fornybare ressurser, samt deres ujevne geografiske spredning, vil det imidlertid være behov for stor utbedring av infrastrukturen i kraftnettet. For å fullt utnytte potensialet fra offshore vindparker i Nordsjøen, vil det være nødvendig å overføre store mengder kraft over svært lange avstander til de stedene hvor kraften forbrukes. Selv om Multi-Terminal High-Voltage Direct-Current (MT-HVDC) transmisjonssystemer har blitt identifisert som den beste løsningen for denne oppgaven, gjenstår en rekke spørsmål angående planlegging, analysering og operasjon av et komplekst HVDC nettverk som har flere terminaler. Siden terminalene trolig vil kunne komme fra ulike produsenter, vil det være nødvendig å undersøke stabilitet og ytelse. På grunn av usikkerheten rundt den endelige konfigurasjonen til sammenkoblingen, samt produsentenes fortrolighetsavtaler relatert til deres kontrollere, er det dessuten trolig at kraftelektronikkstasjonene må kunne kobles inn og ut sømløst, såkalt Plug & Play. Det er i denne sammenheng den første forskningslinjen i IDeCON-prosjektet rettes mot. Prosjektet hadde som mål å vise at visse minimumskrav må stilles til produsentenes kontrollere gjennom fremtidige nettkoder for å sikre Plug & Play, som videre vil garantere en passende og sikker operasjon av MT-HVDC-nettet. Som et første steg mot sine ambisiøse mål, så har forskningen i IDeCON fokusert på å utfordre konvensjonelle reguleringsstrukturer for kraftomformere. En mer "plug and play"-type struktur har blitt undersøkt. Den underliggende reguleringsteorien for denne strukturen omtales som "energimodellering og kontroll" for fysiske systemer. Teorien går ut fra det fysiske systemets sammensetning til å sette opp reguleringssløyfer som styrer energiflyten i systemet. Samtidig oppnåes den nevnte "plug and play"-funksjonaliteten. I forskningsprosjektet har det teoretiske rammeverket blitt utvidet til også å dekke multinivå-omformere (MMC), den mest lovende omformer teknologien for flerterminal HVDC-nett. Som en ekstra forskningslinje for IDeCON, har vi forsøkt å finne ut om det er mulig å lage indikatorer som angir stabilitetsmarginer for HVDC nettverk, med fokus på DC-spenningsstabilitet, gitt et forventet worst-case tilfelle. Dette vil kunne gi nyttig informasjon i forbindelse med systemdesign eller ved planlegging av ytterlige utvidelser, og dermed bygge bro mellom domenet for kraftsystemplanlegging og stabilitetsvurdering. Videre vil dette gi grunnlag for å utvikle avanserte regulatorer for omformerstyring som muliggjør å maksimere stabilitetsmarginene under gitte verste driftssituasjoner. Med denne tilnærmingen er den foreslåtte metoden for identifisering av worst-case driftstilfelle, stabilitetsvurdering og kontrollerutforming testet på et representativt testtilfelle, med positivt utfall. Slike testtilfeller er basert på MMC-er for sammenkobling av eksisterende punkt-til-punkt HVDC-lenker til en flerterminal konfigurasjon.

IDeCON outcomes were a competence leap for the leading partner and transfer of knowledge to industrial partners (particularly, developed grid analyses and modeling methodologies) through dedicated events. IDeCON strengthened the exchange of best practices among all partners and NTNU's cooperation with Tecnalia, so that a further researcher's stay has already taken place and one is being planned. It also fostered a new and ongoing cooperation with ETH. IDeCON technical results set the basis for a change in planning and control of AC/DC high voltage networks, enabling the integration of more renewable energy and providing society with a more sustainable, efficient and reliable power supply. Moreover, developed tools and approaches could be exported to proximal fields, such as hybrid AC/DC distribution networks, thus broadening the project outcomes. All of this is perfectly in line with the European Green Deal and its quest for energy efficiency and zero net gas emissions by 2050.

The IDeCON project is developed in the field of offshore energy systems. It will create internationally competitive and highly multidisciplinary competence in the strategic area of design, control and optimization of offshore grids. The project has the potential to overcome the technical barriers that are presently hindering the practical implementation of High Voltage DC grids in the North Sea, which are necessary for the exploitation of the huge local wind resources offshore. The project is perfectly aligned with both the priority areas "Energy system of the future" and "Climate friendly (renewable) energy" of the Call for Proposals and it will provide qualifying research training to two fellows, through the funding of one PhD and one Post Doc position. The cornerstones of the project are scientific excellence and a highly-integrated approach to the complex, cross-disciplinary problems of offshore grid, tackled by exploiting both the in-house competence of the applicant institution and top-qualified international collaborations.